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WO 2011/076890 PCT/EP2010/070576
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PROCEDE DE REALISATION D'UN RENFORT METALLIQUE
D'AUBE DE TURBOMACHINE.
La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un renfort
métallique d'aube composite ou métallique de turbomachine.
Plus particulièrement l'invention concerne un procédé de réalisation
d'un renfort métallique de bord d'attaque d'aube de turbomachine.
Le domaine de l'invention est celui des turbomachines et plus
particulièrement celui des aubes de soufflante, en matériau composite ou
métallique, de turbomachine et dont le bord d'attaque comporte un renfort
structurel métallique.
Toutefois, l'invention est également applicable à la réalisation d'un
renfort métallique destiné à renforcer un bord de fuite d'aube de
turbomachine.
On rappelle que le bord d'attaque correspond à la partie antérieure
d'un profil aérodynamique qui fait face au flux d'air et qui divise
l'écoulement
d'air en un écoulement d'air d'intrados et en un écoulement d'air extrados.
Le bord de fuite correspond à la partie postérieure d'un profil aérodynamique
où se rejoignent les écoulements intrados et extrados.
II est connu d'équiper les aubes de soufflante d'une turbomachine,
réalisées en matériaux composites, d'un renfort structurel métallique
s'étendant sur toute la hauteur de l'aube et au-delà de leur bord d'attaque
comme mentionné dans le document EP1908919. Un tel renfort permet de
protéger l'aubage composite lors d'un impact d'un corps étranger sur la
soufflante, tel que par exemple un oiseau, de la grêle ou encore des cailloux.
En particulier, le renfort structurel métallique protège le bord d'attaque
de l'aube composite en évitant des risques de délamination, de rupture de
fibre ou encore d'endommagement par décohésion fibre/matrice.
De façon classique, une aube de turbomachine comporte une surface
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aérodynamique s'étendant, selon une première direction, entre un bord
d'attaque et un bord de fuite et, selon une deuxième direction sensiblement
perpendiculaire à la première direction, entre un pied et un sommet de
l'aube. Le renfort structurel métallique épouse la forme du bord d'attaque de
la surface aérodynamique de l'aube et s'étend selon la première direction
au-delà du bord d'attaque de la surface aérodynamique de l'aube pour
épouser le profil de l'intrados et de l'extrados de l'aube et selon la
deuxième
direction entre le pied et le sommet de l'aube.
De façon connue, le renfort structurel métallique est une pièce
métallique réalisée entièrement par fraisage à partir d'un bloc de matière.
Cependant, le renfort métallique d'un bord d'attaque d'aube est une
pièce complexe à réaliser, nécessitant de nombreuses opérations de
reprises et des outillages complexes impliquant des coûts de réalisation
importants.
Dans ce contexte, l'invention vise à résoudre les problèmes
mentionnés ci-dessus en proposant un procédé de réalisation d'un renfort
métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite d'aube de turbomachine
permettant de réduire significativement les coûts de réalisation d'une telle
pièce et de simplifier la gamme de fabrication.
A cette fin, l'invention propose un procédé de réalisation d'un renfort
métallique de bord d'attaque, ou de bord de fuite, d'aube de turbomachine
comportant un pied de renfort et une tête de renfort, ledit procédé
comportant successivement :
- une étape de réalisation d'une pluralité d'éléments effilés en forme de
V formant différents secteurs dudit renfort métallique, de sorte que
ledit renfort métallique est divisé en plusieurs secteurs répartis entre
ledit pied et ladite tête ;
- une étape de positionnement desdits secteurs sur un outillage
reprenant la forme dudit bord d'attaque ou dudit bord de fuite de ladite
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aube de turbomachine
- une étape de solidarisation des différents secteurs de façon à former
ledit profil complet dudit renfort métallique monobloc par
recombinaison des différents secteurs.
Grâce à l'invention, le renfort structurel métallique est réalisé de façon
simple et rapide à partir d'une pluralité de secteurs qui sont ensuite
solidarisés de façon à former un renfort complet monobloc.
La réalisation du renfort métallique par la recombinaison de plusieurs
secteurs réalisés indépendamment permet d'éviter les dérives liées à la
fabrication monobloc d'une telle pièce, et notamment au niveau des flancs
minces du renfort qui ont tendance à vriller.
En effet, l'étape de réalisation de plusieurs secteurs du renfort permet
de limiter les contraintes emmagasinées dans la pièce lors du procédé de
fabrication et ainsi la déformation des flancs à paroi mince lors du retrait
de
la pièce de l'outillage.
Ce procédé de réalisation permet ainsi de s'affranchir de la réalisation
complexe du renfort par fraisage dans la masse à partir de méplats
monoblocs nécessitant de grand volume de matière de mise en oeuvre et par
conséquent des coûts importants en approvisionnement de matière
première.
Le procédé selon l'invention permet également de diminuer
sensiblement les coûts de fabrication d'une telle pièce.
Le procédé de réalisation d'un renfort métallique d'aube de
turbomachine selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs
des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon
toutes les combinaisons techniquement possibles :
- lors de ladite étape de réalisation d'une pluralité d'éléments formant
lesdits secteurs dudit renfort métallique, chaque secteur est réalisé au
moyen d'un procédé de fusion laser ;
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- ladite étape de solidarisation des différents secteurs est réalisée au
moyen d'un procédé de brasage diffusion ;
- le procédé comporte une étape de conformation à chaud réalisée
simultanément avec ladite étape de solidarisation ;
- le procédé comporte une étape de démoulage dudit renfort métallique
dudit outillage, ledit outillage étant formé par une pluralité de sections
amovibles, ledit démoulage étant opéré par le retrait successif
desdites sections amovibles ;
- le procédé comporte une étape de finition dudit renfort métallique
consistant en une sous-étape de polissage de la surface dudit renfort
et/ou en une sous-étape de reprise des flancs dudit renfort ;
- ladite étape de solidarisation des différents secteurs est réalisée au
moyen d'un procédé de soudage ; dans ce cas, avantageusement,
ladite étape de solidarisation des différents secteurs est suivie
successivement par :
- une étape de positionnement desdits secteurs solidarisés formant
ledit renfort sur un outillage reprenant la forme dudit bord
d'attaque ou dudit bord de fuite de ladite aube de turbomachine
- une étape de traitement thermique de relaxation des contraintes ;
- une étape de conformation à chaud ;
- une étape de démoulage dudit renfort métallique dudit outillage,
ledit outillage étant formé par une pluralité de sections amovibles
réparties entre ledit pied et ladite tête dudit renfort ;
- une étape de finition dudit renfort métallique consistant en une
sous-étape de polissage de la surface dudit renfort et/ou en une
sous-étape de reprise des flancs dudit renfort.
L'invention a également pour objet un procédé de réparation d'une aube de
turbomachine comportant un renfort métallique usagé du bord d'attaque ou
du bord de fuite de ladite aube, ledit procédé comportant :
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- une étape de désolidarisation dudit renfort métallique usagé de ladite
aube ;
- une étape de réalisation d'un renfort métallique de bord d'attaque ou
de bord de fuite d'aube de turbomachine selon l'invention,
5 - une étape de solidarisation dudit renfort métallique, réalisé lors de
l'étape précédente, sur ladite aube de turbomachine.
L'invention a également pour objet un outillage pour la mise en oeuvre
du procédé de réalisation d'un renfort métallique d'aube de turbomachine
selon l'invention comportant une pluralité de sections amovibles.
L'outillage selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs
des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon
toutes les combinaisons techniquement possibles :
- ledit outillage comporte un nombre de sections amovibles supérieur
au nombre de secteurs du renfort ;
- ledit outillage est réalisé dans un matériau comportant un coefficient
de dilatation supérieur au coefficient de dilatation du matériau dudit
renfort.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus
clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif
et
nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 est une vue latérale d'une aube comportant un renfort
structurel métallique de bord d'attaque obtenu au moyen du procédé de
réalisation selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue partielle en coupe de la figure 1 selon un plan de
coupe AA ;
- la figure 3 est un schéma synoptique présentant les principales étapes
de réalisation d'un renfort structurel métallique de bord d'attaque
d'aube de turbomachine du procédé de réalisation selon l'invention ;
- la figure 4 est une vue du renfort métallique de bord d'attaque d'aube
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de turbomachine lors de la première étape du procédé illustré en figure
3;
- la figure 5 est une vue du renfort métallique de bord d'attaque d'aube
de turbomachine lors de la deuxième étape du procédé illustré en
figure 3 ;
- la figure 6 est une vue du renfort métallique de bord d'attaque d'aube
de turbomachine dans son état final obtenu par le procédé de
réalisation selon l'invention illustré en figure 3.
Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes
numéros de référence sauf précision contraire.
La figure 1 est une vue latérale d'une aube comportant un renfort
structurel métallique de bord d'attaque obtenu au moyen du procédé de
réalisation selon l'invention.
L'aube 10 illustrée est par exemple une aube mobile de soufflante
d'une turbomachine (non représentée).
L'aube 10 comporte une surface aérodynamique 12 s'étendant selon
une première direction axiale 14 entre un bord d'attaque 16 et un bord de
fuite 18 et selon une deuxième direction radiale 20 sensiblement
perpendiculaire à la première direction 14 entre un pied 22 et un sommet 24.
La surface aérodynamique 12 forme la face extrados 13 et intrados 11
de l'aube 10, la face extrados 13 de l'aube 10 étant représentée sur la figure
1. L'intrados 11 et l'extrados 13 forment les faces latérales de l'aube 10 qui
relient le bord d'attaque 16 au bord de fuite 18 de l'aube 10.
Dans ce mode de réalisation, l'aube 10 est une aube composite
obtenue typiquement par drapage d'un matériau composite tissé. A titre
d'exemple, le matériau composite utilisé peut être composé par un
assemblage de fibres de carbone tissées et d'une matrice résineuse,
l'ensemble étant formé par moulage au moyen d'un procédé d'injection de
résine sous vide de type RTM (pour Resin Transfer Molding ).
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L'aube 10 comporte un renfort structurel métallique 30 collé au niveau
de son bord d'attaque 16 et qui s'étend à la fois selon la première direction
14 au-delà du bord d'attaque 16 de la surface aérodynamique 12 de l'aube
et selon la deuxième direction 20 entre le pied 22 et le sommet 24 de
5 l'aube.
Comme représenté à la figure 2, le renfort structurel 30 épouse la
forme du bord d'attaque 16 de la surface aérodynamique 12 de l'aube 10
qu'il prolonge pour former un bord d'attaque 31, dit bord d'attaque du
renfort.
De façon classique, le renfort structurel 30 est une pièce monobloc
10 comportant une section sensiblement en forme de V présentant une base 39
formant le bord d'attaque 31 et prolongée par deux flancs latéraux 35 et 37
épousant respectivement l'intrados 11 et extrados 13 de la surface
aérodynamique 12 de l'aube. Les flancs 35, 37 présentent un profil effilé ou
amincie en direction du bord de fuite de l'aube.
La base 39 comporte un profil interne 33 arrondi apte à épouser la
forme arrondie du bord d'attaque 16 de l'aube 10.
Le renfort structurel 30 est métallique et préférentiellement à base
titane. Ce matériau présente en effet une grande capacité d'absorption de
l'énergie due aux chocs. Le renfort est collé sur l'aube 10 au moyen de colle
connue de l'homme du métier, comme par exemple une colle cyanoacrylique
ou encore époxy.
Ce type de renfort structurel métallique 30 utilisé pour le renfort d'aube
composite de turbomachine est plus particulièrement décrit notamment dans
la demande de brevet EP1 908919.
Le procédé selon l'invention permet de réaliser un renfort structurel tel
qu'illustré aux figures 1, 2 et 6, les figures 2 et 6 illustrant le renfort 30
dans
son état final.
La figure 3 représente un schéma synoptique illustrant les principales
étapes d'un procédé de réalisation 100 d'un renfort structurel métallique 30
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de bord d'attaque d'aube 10 tel qu'illustré aux figures 1 et 2.
La première étape 110 du procédé de réalisation 100 est une étape de
réalisation de plusieurs secteurs 30a, 30b, 30c, 30d du renfort métallique 30.
La figure 4 illustre particulièrement les différents secteurs 30a, 30b,
30c, 30d obtenus lors de la première étape 110.
A cet effet, le renfort métallique 30 est préalablement divisé en
plusieurs secteurs lors de la conception ou lors de la construction d'un
modèle numérique.
Selon un mode avantageux de l'invention, les différents secteurs du
renfort 30 sont réalisés indépendamment par un procédé de prototypage
rapide, et plus particulièrement au moyen d'un procédé de fusion laser. En
effet, la fusion laser est un procédé qui permet de réaliser chaque secteur du
renfort 30 par le dépôt de plusieurs couches de matière successives, ce qui
permet de créer facilement des formes complexes et notamment la forme
effilé en V du renfort métallique 30 avec de faibles épaisseurs au niveau des
flancs 35, 37.
Le procédé de fusion laser ou procédé de frittage par fusion laser est
un procédé connu de l'homme du métier et traité dans de nombreux brevets,
comme notamment les brevets EP2060343 ou EP2125339 ; par conséquent
nous ne décrirons pas plus en détails le principe de fonctionnement de ce
procédé de fabrication.
La réalisation du renfort métallique 30 par la recombinaison de
plusieurs secteurs 30a, 30b, 30c, 30d permet d'éviter les dérives liées à la
fabrication d'une telle pièce d'un seul tenant à partir d'un méplat monobloc,
et notamment au vrillage des flancs 35, 37 de faible épaisseur .
Chaque secteur 30a, 30b, 30c, 30d, réalisé dans la première étape
110, forme une partie de la base 39, du bord d'attaque 31 et des flancs 35,
37 du renfort 30 final.
La deuxième étape 120 du procédé de réalisation 100 est une étape de
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positionnement des différents secteurs 30a, 30b, 30c, 30d sur un outillage
spécifique de forme 40 en vue de la recombinaison. Cette deuxième étape
120 de positionnement est illustrée par la figure 5.
L'outillage 40 est formé par l'association de plusieurs sections 40a,
40b, 40c, 40d, 40e, 40f qui coopèrent ensemble de façon à former une
empreinte 43 complémentaire du profil interne 33 du renfort 30. L'empreinte
43 de l'outillage 40 correspondant sensiblement au profil de l'aube 10
lorsque les différentes sections 40b, 40c, 40d, 40e, 40f sont assemblées.
Ainsi lors de cette deuxième étape, les différents secteurs 30a, 30b,
30c, 30d du renfort 30 sont positionnés secteur par secteur sur l'outillage 40
de façon construire entièrement le profil du renfort sur l'outillage. La forme
de l'outillage 40, et notamment le profil de l'empreinte 43 sont réalisés de
façon à former le galbe et le profil intrados et extrados désirés du renfort
métallique 30.
Avantageusement, l'outillage 40 comporte un nombre de sections
supérieur au nombre de secteurs du renfort 30.
La troisième étape 130 du procédé de réalisation 100 est une étape
d'assemblage, ou de solidarisation, des différents secteurs 30a, 30b, 30c,
30d du renfort 30 par un procédé de brasage diffusion. Pour ce faire, les
jointures 31 présentes entre chaque secteur 30a, 30b, 30c, 30d accolé sont
comblées par des cordons de brasure obtenus par brasage diffusion à partir
d'un métal d'apport sous forme de feuillard ou sous forme de poudre. Ce
métal d'apport permet de solidariser les différents secteurs 30a, 30b, 30c,
30d afin de former un renfort 30 monobloc avec son profil final.
On rappel que le brasage diffusion est une opération consistant à faire
migrer totalement le métal d'apport dans le matériau de base jusqu'à la
disparition de la partie métal d'apport fondu.
Le brasage diffusion permet notamment d'obtenir d'excellents résultats
pour l'assemblage de pièces usinées relativement petites et aux profils
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complexes.
La quatrième étape 140 du procédé de réalisation 100 est une étape
de conformation à chaud réalisée dans le même outillage de forme 40 que
dans les étapes précédentes, l'outillage étant placé ensuite dans un four
5 chauffé à la température de forgeage du matériau utilisé.
Cette étape de conformation à chaud permet de conformer le renfort 30
en vue d'obtenir sa forme finale.
De façon préférentielle, l'outillage 40 est réalisé dans un matériau
comportant un coefficient de dilatation supérieur au coefficient de dilatation
10 du matériau du renfort. A titre d'exemple, l'outillage 40 peut être réalisé
en
acier lorsque le renfort est réalisé à base titane. Le profil de l'outillage
40 et
les dimensions de l'outillage 40 sont conçus en tenant compte du retrait des
différents matériaux utilisés.
Selon un mode préférentiel de l'invention, l'étape 140 de conformation
à chaud est réalisée lors de l'étape de brasage diffusion 130.
La cinquième étape 150 est une étape de démoulage dudit renfort 30
de l'outillage 40. A cet effet, les différentes sections 40a, 40b, 40c, 40d,
40e,
40f de l'outillage 40 sont amovibles et aptes à se démonter individuellement
de façon à faciliter le démoulage du renfort 30.
Afin de faciliter le démoulage, il est possible de préparer initialement
l'outillage 40 en déposant une couche de protection sur l'empreinte 43 de
l'outillage 40 de façon à éviter que le renfort 30 ne colle sur l'outillage
40. A
titre d'exemple, cette couche de protection peut être une couche d'alumine.
Enfin, la sixième étape 160 du procédé de réalisation 100 est une
étape de finition et de reprise du renfort 30 par usinage. Cette étape de
finition 160 consiste notamment :
- à la reprise des flancs 35, 37 ; cette étape consistant notamment au
détourage des flancs 35, 37 et à l'amincissement des flancs intrados et
extrados 35, 37 ;
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- au polissage du renfort 30 afin d'obtenir l'état de surface requis.
La figure 6 illustre le renfort 30 dans son état final obtenu par le
procédé de réalisation selon l'invention.
En association avec ces principales étapes de réalisation, le procédé
selon l'invention peut également comporter des étapes de contrôle non
destructif du renfort 30 permettant de s'assurer de la conformité géométrique
et métallurgique de l'ensemble obtenu. A titre d'exemple les contrôles non
destructifs peuvent être réalisés par un procédé par rayon X.
Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, l'étape
d'assemblage, ou de solidarisation, des différents renforts par brasage
diffusion est remplacée par une étape d'assemblage des différents renforts
par soudage, par exemple au moyen d'un faisceau d'électrons.
Dans ce deuxième mode de réalisation, l'étape d'assemblage par
soudage est réalisée sans l'utilisation d'un outillage de forme. Cette étape
intervient à la suite de l'étape de réalisation des différents secteurs du
renfort.
Ainsi dans ce deuxième mode de réalisation, le procédé de réalisation
d'un renfort structurel métallique 30 de bord d'attaque d'aube 10 tel
qu'illustré aux figures 1 et 2 comporte :
- une première étape de réalisation de plusieurs secteurs 30a, 30b,
30c, 30d du renfort métallique, par exemple par un procédé de fusion
laser ;
- une deuxième étape d'assemblage par soudage des différents
secteurs 30a, 30b, 30c, 30d constituant les différentes parties du
renfort ;
- une troisième étape de positionnement desdits secteurs 30a, 30b,
30c, 30d solidarisés ensemble sur un outillage formant l'empreinte
interne du renfort et comportant le profil du bord d'attaque de l'aube
de turbomachine ;
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- une quatrième étape de traitement thermique de relaxation des
contraintes ;
- une cinquième étape de conformation à chaud
- une sixième étape de démoulage du renfort métallique 30 de
l'outillage, l'outillage étant divisé en différentes sections amovibles de
façon à faciliter le démoulage du renfort 30 ;
- une étape de finition du renfort métallique 30 consistant en une sous-
étape de polissage de la surface du renfort et/ou en une sous-étape
de reprise des flancs du renfort 30.
Le procédé selon l'invention a été décrit principalement pour un
renfort structurel métallique à base titane ; toutefois, le procédé selon
l'invention est également applicable avec des matériaux à base nickel ou
encore à base acier.
L'invention a été particulièrement décrite pour la réalisation d'un renfort
métallique d'une aube composite de turbomachine ; toutefois, l'invention est
également applicable pour la réalisation d'un renfort métallique d'une aube
métallique de turbomachine.
L'invention a été particulièrement décrite pour la réalisation d'un renfort
métallique d'un bord d'attaque d'aube de turbomachine ; toutefois, l'invention
est également applicable pour la réalisation d'un renfort métallique d'un bord
de fuite d'une aube de turbomachine.
L'invention a été particulièrement décrite avec un procédé de fusion
laser pour la réalisation de la première étape ; toutefois, la première étape
peut être réalisée par exemple par un autre procédé de prototypage ou par
un procédé d'usinage.
L'intérêt de la réalisation par fusion laser du renfort par une pluralité de
secteurs indépendants permet de limiter les contraintes emmagasinées dans
la pièce lors du procédé de fabrication par fusion laser et ainsi la
déformation
des flancs à parois mince lors du retrait de la pièce de l'outillage. En
effet, le
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renfort comporte des flancs à parois minces qui tendent à se déformer lors
du retrait de la pièce de l'outillage plus la taille de la pièce est
importante.
Le procédé de réalisation d'un renfort métallique selon l'invention
s'intègre parfaitement dans un procédé global de réparation d'une aube de
turbomachine composite ou métallique. Le procédé de réparation d'une aube
de turbomachine consiste alors en :
- une première étape de désolidarisation du renfort métallique usagé par
des moyens de pyrolyse permettant de chauffer la colle ou la résine à
une température de l'ordre de 100 à 4000C afin de ramollir et/ou
détériorer la colle utilisée pour solidariser le renfort métallique sur
l'aube de turbomachine ;
- une seconde étape de réalisation d'un nouveau renfort métallique selon
l'invention ;
- et enfin une troisième étape de solidarisation du renfort métallique,
réalisée lors de l'étape précédente, par collage au moyen d'une colle
connue de l'homme du métier pour coller un renfort sur une aube,
comme par exemple une colle cyanoacrylique ou encore une colle
époxy.
Les autres avantages de l'invention sont notamment les suivants
- réduction des coûts de réalisation
- réduction du temps de réalisation
- simplification de la gamme de fabrication
- réduction des coûts matière.
